膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響

葉 顯， 吳文選， 侯維紅， 雷 生， 周 壯

(武漢源錦建材科技有限公司， 湖北 武漢 430083)

由于具有流動(dòng)性好、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)、無收縮、微膨脹、自密實(shí)等特點(diǎn)，以及在施工方面具有工期短、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，灌漿料，特別是高強(qiáng)灌漿料隨著工民建、公路、水利建設(shè)的不斷發(fā)展，其市場需求不斷擴(kuò)大，對(duì)灌漿料的研究也在不斷深入.但是研究人員在追求灌漿料的強(qiáng)度、施工性能的同時(shí)，往往會(huì)忽視灌漿料的耐久性能，尤其是其體積穩(wěn)定性.

在高強(qiáng)灌漿體系中，降低水膠比是提高灌漿料強(qiáng)度的重要手段.有研究表明，砂漿或者混凝土水膠比越低，其內(nèi)部相對(duì)濕度越小，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，其內(nèi)部自干燥程度也會(huì)隨之增大[1].水泥石內(nèi)部因自干燥作用而引起的毛細(xì)孔未飽和現(xiàn)象，會(huì)使水泥基材料內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓差，從而導(dǎo)致砂漿或混凝土產(chǎn)生自收縮[2]，因此低水膠比的高強(qiáng)灌漿料早期自收縮趨勢更明顯.除自收縮之外，受環(huán)境溫度、濕度變化和荷載等外部條件的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)對(duì)灌漿料體積穩(wěn)定性造成影響[3].

GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》對(duì)水泥基灌漿料早期(24h內(nèi))的體積穩(wěn)定性有一定要求，但是并未考慮到灌漿料后期的體積變化.灌漿料在塑性階段的微膨脹能夠保證充填的密實(shí)度，但如果后期產(chǎn)生體積收縮，則會(huì)造成灌漿料與基礎(chǔ)之間的脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致灌漿料承載力削弱，嚴(yán)重的話甚至?xí)a(chǎn)生裂縫，破壞建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4].因此，在水泥基灌漿料硬化后期，膨脹劑能否提供一定的微膨脹來補(bǔ)償?shù)退z比引起的灌漿料自生體積收縮，使灌漿料在服役期間始終與基礎(chǔ)結(jié)合緊密，對(duì)建筑、設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性具有重要意義.

本試驗(yàn)主要針對(duì)不同種類、不同摻量的膨脹劑在不同養(yǎng)護(hù)條件下對(duì)高強(qiáng)灌漿體系體積穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，以期改善高強(qiáng)灌漿料硬化后的體積穩(wěn)定性，提高灌漿料的應(yīng)用效果及服役壽命.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

華新P·O 52.5水泥(C)，化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、摻量、減水率等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)見表1；自來水(W)，滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》；0.212～0.600mm石英砂(S)；膨脹劑(E)包括2類，一類為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的2種硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑，分別滿足GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》中的Ⅰ 型和 Ⅱ 型要求，記為EA1和EA2，其化學(xué)組成見表1，水中7d限制膨脹率(體積分?jǐn)?shù))分別為0.037%和0.065%，推薦摻量為總膠凝材料質(zhì)量的8%～12%；另一類為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)，分別滿足CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》R型、M型、S型要求的氧化鎂膨脹劑，記為MAC-R，MAC-M，MAC-S，其化學(xué)組成見表1，根據(jù)DL/T 5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》測得MAC-R，MAC-M，MAC-S的活性反應(yīng)時(shí)間分別為79，135，220s，推薦摻量為總膠凝材料質(zhì)量的3%～7%；重鈣粉(HCP)粒徑為0.0750mm；功能改性助劑(FA)包括消泡劑、緩凝劑、保水劑、早強(qiáng)劑等；減水劑(WR)為蘇州弗克Talon101型，減水率為20%.

表1 水泥和幾種膨脹劑的化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

以滿足JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》要求的套筒灌漿料為基礎(chǔ)配方，將5個(gè)型號(hào)的2類膨脹劑分別按照推薦摻量采用內(nèi)摻法取代配方中的礦物摻和料，并按照該標(biāo)準(zhǔn)測試灌漿料的初始流動(dòng)度、30min流動(dòng)度以及1，3，28d抗壓強(qiáng)度.由于膨脹劑的摻入會(huì)影響灌漿料的工作性能，因此通過調(diào)節(jié)減水劑的用量將灌漿料初始流動(dòng)度控制在320～340mm之間，最終確定的試驗(yàn)配比見表2，各個(gè)配比的流動(dòng)度及強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表3.其中活性反應(yīng)時(shí)間越短(即活性越大)的氧化鎂膨脹劑需水量越大，這與氧化鎂的煅燒溫度有關(guān)[5].煅燒溫度越高，得到的氧化鎂晶體缺陷越少，活性反應(yīng)時(shí)間越長，因此氧化鎂活性反應(yīng)時(shí)間越長、需水量越小[6-7].

按照J(rèn)C/T 453—2004《自應(yīng)力水泥物理檢驗(yàn)方法》進(jìn)行自由膨脹試件的成型和自由膨脹率的檢測.每種配方成型3組試件，拆模后分別置于干養(yǎng)(20℃，RH=65%)、水養(yǎng)(水溫20℃)和絕濕(拆模之后將試件用錫箔紙包裹嚴(yán)實(shí)后置于20℃恒溫養(yǎng)護(hù)室)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測試其自由膨脹率.

表2 灌漿料配方

續(xù)表2

表3 不同配比灌漿料的流動(dòng)度和強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膨脹劑摻量對(duì)自由膨脹率的影響

圖1，2分別為水養(yǎng)條件下氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料自由膨脹率的影響.由圖1，2可以看出：無論是硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑還是氧化鎂膨脹劑，在高強(qiáng)灌漿料體系中都能顯示出膨脹效能，并且隨著2類膨脹劑摻量的提高，灌漿料自由膨脹率呈規(guī)律性遞增趨勢.在高強(qiáng)灌漿體系中，2類膨脹劑均呈現(xiàn)早期膨脹較快，后期膨脹減緩的趨勢.這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，膨脹劑顆粒參與水化而逐漸消耗，且隨著后期灌漿料彈性模量增大，膨脹阻力增大，膨脹速率降低.

從圖2(b)可以看出，在6%和8% EA2摻量下，灌漿料體積在60d就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而在10%摻量下要90d才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).從圖1中也可以看出，隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料膨脹率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間同樣也會(huì)增加.由此可以判斷，膨脹劑摻量越高，灌漿料體積趨于穩(wěn)定的時(shí)間越長.

2.2 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)自由膨脹率的影響

眾所周知，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥的水化進(jìn)程及體積穩(wěn)定性影響較大.圖3為水養(yǎng)、絕濕條件下2類膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料自由膨脹率的影響.由圖3可以看出：水養(yǎng)條件下灌漿料自由膨脹率隨著護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，而絕濕條件下的自由膨脹率均表現(xiàn)出負(fù)增長.由此可以看出，不論是氧化鎂膨脹劑還是硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑，其膨脹效能的發(fā)揮均與養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的水含量有一定關(guān)系.

與空白組試件對(duì)比，在水養(yǎng)和絕濕養(yǎng)護(hù)條件下，氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑都起到了補(bǔ)償收縮的作用.由圖3(a)可以看出，水養(yǎng)條件下，摻氧化鎂類膨脹劑的灌漿料自由膨脹率在180d內(nèi)都呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定增長的趨勢，而硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的膨脹效能在14d以內(nèi)發(fā)揮迅速，60d之后膨脹效能不再明顯.這主要是由于硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑的膨脹產(chǎn)物為 Ca(OH)2和鈣礬石，該反應(yīng)較快，因而膨脹主要發(fā)生在14d之前[8].而氧化鎂膨脹劑主要以氧化鎂水化產(chǎn)生的微小Mg(OH)2顆粒晶體生長或者吸水腫脹為膨脹源，反應(yīng)較緩慢，并且持續(xù)時(shí)間可長達(dá)1～2a[9].

絕濕條件下，雖然摻氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑的高強(qiáng)灌漿料試件都呈現(xiàn)出收縮的趨勢，但是由圖3(b)可以看出，雖然氧化鎂膨脹劑前期補(bǔ)償收縮效果不明顯，但90d后試件的自由膨脹率出現(xiàn)增長趨勢，而硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑雖在絕濕條件下也能起到補(bǔ)償收縮的作用，但是180d后試件的自由膨脹率總體上仍呈現(xiàn)出負(fù)增長.由此可以判斷，氧化鎂膨脹劑補(bǔ)償收縮作用的發(fā)揮對(duì)水和空氣的依賴比較小，而硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑發(fā)揮膨脹作用時(shí)需水量較大.從機(jī)理上說，生成鈣礬石所消耗的水遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于氧化鎂膨脹劑反應(yīng)生成Mg(OH)2所消耗的水.

為了比較2類膨脹劑對(duì)水的依賴程度，設(shè)定了以下公式來計(jì)算膨脹劑對(duì)水的依賴程度隨著養(yǎng)護(hù)齡期t(d)的發(fā)展趨勢：

圖1 水養(yǎng)條件下氧化鎂類膨脹劑對(duì)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of different MgO expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

圖2 水養(yǎng)條件下硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑對(duì)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of different calcium sulphoaluminate-calcium oxide expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

圖3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)膨脹劑作用效果的影響Fig.3 Effect of curing conditions on the efficiency of expansive agents

(1)

式中：It為濕度對(duì)試件體積穩(wěn)定性的影響因子；ΔLw為水養(yǎng)條件下試件的長度變化，mm；ΔLwm為絕濕條件下試件的長度變化，mm.

計(jì)算不同膨脹劑在不同齡期下的It，結(jié)果見圖4.由于水養(yǎng)14d前，摻氧化鎂膨脹劑的試件ΔLw<0，按式(1)計(jì)算得到的It均小于零，不具有參考價(jià)值，因此舍去該段齡期的數(shù)據(jù).由圖4可以看到：摻硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑試件的It值前期較大，并且養(yǎng)護(hù)后期仍呈現(xiàn)增大的趨勢，而摻氧化鎂膨脹劑試件的It值隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而持續(xù)降低.由此可以判斷，水對(duì)硫鋁酸 鈣-氧化鈣膨脹劑膨脹效能的發(fā)揮影響比較大，而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，氧化鎂膨脹劑膨脹能的發(fā)揮對(duì)水的依賴程度逐漸降低.

圖4 濕度影響因子隨著齡期發(fā)展的變化趨勢Fig.4 Development of It with curing ages

2.3 膨脹劑種類對(duì)自由膨脹率的影響

不同養(yǎng)護(hù)條件下2類膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響見圖5.由圖5(a)可以看到，水養(yǎng)條件下，早期硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑能讓高強(qiáng)灌漿料產(chǎn)生明顯體積膨脹，后期作用減緩，而氧化鎂類膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料后期體積增長貢獻(xiàn)更為明顯.由圖5(b)可以看到，絕濕條件下?lián)搅蜾X酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的灌漿料在180d時(shí)仍呈現(xiàn)體積收縮的趨勢，而摻MAC-M和MAC-R的灌漿料分別在21d和90d就達(dá)到了體積穩(wěn)定期.由圖5(c)可以看到，干養(yǎng)條件下2類的膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響趨勢類似，均在90d左右就達(dá)到體積穩(wěn)定.

由圖5(a)對(duì)比摻氧化鎂膨脹劑MAC-R,MAC-M的灌漿料在水養(yǎng)條件下膨脹率的發(fā)展變化，可以看到 28d 之前，摻MAC-R組的膨脹率高于摻MAC-M組，而60d之后，摻MAC-M組膨脹率反超摻MAC-R組.由此可以推斷出氧化鎂活性反應(yīng)時(shí)間越短(活性越高)，MgO水化反應(yīng)越快，發(fā)揮膨脹性能越早，而活性反應(yīng)時(shí)間越長(活性越低)，MgO早期水化反應(yīng)越慢，但是后期卻呈現(xiàn)出更強(qiáng)的膨脹效能[10].由圖5(b)，(c)對(duì)比干養(yǎng)和絕濕條件下氧化鎂膨脹劑對(duì)高強(qiáng)灌漿體積穩(wěn)定性的影響，可以看到MAC-M在絕濕條件下的補(bǔ)償收縮效果較好，在干養(yǎng)條件下表現(xiàn)卻較差，而MAC-R在干養(yǎng)條件下的補(bǔ)償收縮效果更明顯.可以判斷不同活性的氧化鎂膨脹劑在不同環(huán)境下作用的效果差別較大.

圖5 膨脹劑種類對(duì)灌漿料體積穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of different kinds of expansive agents on the volume stability of grouting material

3 結(jié)論

(1)高強(qiáng)灌漿料體系中，膨脹劑摻量越高，水養(yǎng)條件下的自由膨脹率越高，灌漿料達(dá)到體積穩(wěn)定所需的時(shí)間越長.

(2)在不同養(yǎng)護(hù)條件下，氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑在高強(qiáng)灌漿料體系中均能發(fā)揮補(bǔ)償收縮的作用.2類膨脹劑膨脹效能的發(fā)揮均與水有一定關(guān)系，但是氧化鎂類膨脹劑對(duì)水的依賴小于硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，氧化鎂類膨脹劑對(duì)水的依賴減小.

(3)高強(qiáng)灌漿料體系中，水養(yǎng)條件下，硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑早期膨脹效能發(fā)揮明顯，但氧化鎂類膨脹劑的中后期膨脹效能更佳.絕濕條件下?lián)窖趸V類膨脹劑的灌漿料能較快達(dá)到體積穩(wěn)定期，而摻硫鋁酸鈣-氧化鈣類灌漿料在180d時(shí)仍呈現(xiàn)持續(xù)收縮.因此，可以根據(jù)灌漿料使用部位和外部環(huán)境的不同，選擇不同類型的膨脹劑來達(dá)到補(bǔ)償收縮的目的，從而改善灌漿料應(yīng)用效果.